一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统的制作方法

本发明涉及一种机器人系统，尤其涉及一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，属于机械电子自动化系统技术领域。

背景技术

随着机械自动化和传感技术的发展，机器人的研发和应用成为工业界的热点。但是，目前的多足类机器人存在着功能单一、移动速度慢、越障能力差等缺点，难以满足人们的需求。汽车是以轮子作为移动机构的装置，可以在平整或较平整路面上快速行驶，具有行程远、速度快等优点；两足动物，例如：鹰，它们的爪子既可以行走，又可以抓取物体，而且跨障能力强，适应于多种地形，而且具有多功能的特点。从仿生学理念出发，综合车辆的轮式机构与两足动物的优点，取长补短，发明兼具轮子移动和双足行走运动方式的机器人，同时利用两个机械爪进行物体的抓取、拆卸、搬运、定点操作等功能，可以用于巡检、排爆、挂装物体等用途，应用前景非常广阔。

技术实现要素：

1、发明目的：

本发明为了解决上述背景技术中的问题，基于仿生学概念和机械自动化技术，提供一种轻量化、智能化的多功能机器人系统，既可以利用轮子在平坦路面上快速机动，又可以利用双足在凹凸的山地、丛林等全地形中行走，还可以利用机械爪完成物体的抓取、拆卸、搬运、定点操作等功能。

2、技术方案：

本发明一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，以锂电池作为动力来源，使用北斗导航模块获得位置信息和路面不平度信息，使用前后两个超声波传感器探测障碍物信息，使用前后两个视觉传感器图像识别路面、周围环境、目标物体等信息，设置传感器信号处理系统、机器人控制系统和机器人驱动系统，实现传感器信息处理、运动决策和执行；在平坦的路面上时，使用四个车轮作为运动机构，根据传感器信息进行路径的判断和规划，避开障碍物，可以实现机器人系统的快速移动；在山地、丛林等崎岖路面上时，通过机械腿铰链和机械腿连杆旋转，切换为双足行走模式，以两个仿生机械爪作为支撑，利用机械爪后指和机械爪前指上的柔性橡胶材料机械爪末端指阄来牢牢抓紧地面，采用折弯向前的方式，中部机械腿连杆和下部机械腿连杆先折弯，然后中部机械腿关节旋转向前，以完成单腿的运动，两个机械腿交替运动，完成行走动作；在平坦的地面或者平台上进行目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作时，机械腿和机械爪机构旋转到车体的上部，四个车轮着地，使用视觉传感器基于改进的canny边缘检测法寻找并识别出目标物体，机器人控制系统进行路径规划，机器人驱动系统驱动车轮移动到目标物体旁边，使用机械爪完成目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作；在山地、丛林等崎岖路面上进行目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作时，首先使用机械腿和机械爪移动到目标物体旁边，然后进行轮-足切换，使车轮着地，机械腿和机械爪旋转到车体的上部，借助视觉传感器的图像信息，完成目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作；

如附图1所示，本发明一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，该系统包括车体、车轮、轮毂电机、机械腿支座、机械腿铰链、上部机械腿连杆、中部机械腿关节、中部机械腿连杆、下部机械腿关节、下部机械腿连杆、机械爪关节、机械爪、机械爪后指、机械爪前指、机械爪末端指阄、前超声波传感器、后超声波传感器、前视觉传感器支座、前视觉传感器、后视觉传感器支座、后视觉传感器、货箱、传感器信号处理系统、机器人控制系统和机器人驱动系统；它们之间的关系是：车体为整个机器人系统的承载体，四个车轮安装在车体的下部，通过车轮内部安装的轮毂电机来驱动车轮运动；两个机械腿支座分别安装在车体的左右两侧，通过机械腿铰链与上部机械腿连杆相连接，并能够满足上部机械腿连杆的旋转运动，可以实现轮-足的转换；上部机械腿连杆通过中部机械腿关节，与中部机械腿连杆相连接；中部机械腿连杆通过下部机械腿关节，与下部机械腿连杆相连接；下部机械腿连杆通过机械爪关节，与机械爪相连接；每个机械爪由一个机械爪后指和三个机械爪前指组成，采用电驱动；在机械爪后指和机械爪前指的指端设置有机械爪末端指阄；前超声波传感器和后超声波传感器安装于车体的前后端的下部，用于探测障碍物；前视觉传感器支座安装于车体的前端上部，用于安装前视觉传感器；后视觉传感器支座安装于车体的后端上部，用于安装后视觉传感器；货箱置于车体的中间上部；传感器信号处理系统、机器人控制系统和机器人驱动系统安置于车体的内部，它们之间通过导线和数据线相连；传感器信号处理系统通过导线和数据线与前超声波传感器、后超声波传感器、前视觉传感器和后视觉传感器相连；机器人驱动系统通过导线和数据线与各个电机相连；

所述车体为整个机器人系统的承载结构，车体形状优选长方体，但不局限于长方体，可以根据需要设计成其他形状，材料和制造工艺采用铝合金材料机械加工后焊接而成，也可以采用t700级碳纤维增强环氧树脂复合材料，使用树脂传递模塑成型(rtm)，然后胶接而成，使其具有轻质高强的特点，有效实现轻量化，同时车体具有防水功能，避免雨水进入内部，损坏电控系统，车体内部放置有锂电池模块，提供动力；

所述车轮为为自制件，由轮胎、轮辐、轮辋、螺栓等组成，轮胎为橡胶材料，轮辐和轮辋为t700级碳纤维增强环氧树脂复合材料，车轮直径根据车体的尺寸而定；

所述轮毂电机为市购件，用于四个车轮的独立驱动，可以实现原地掉头，型号为proteanelectric公司生产的proteandrivetm轮毂电机；

所述机械腿支座为自制件，用于在车体上安装机械腿，分布于车体的左右两侧的中部；

所述机械腿铰链为自制件，用于连接机械腿支座和上部机械腿连杆，使上部机械腿连杆可以绕车体的横轴旋转，以完成行走的运动动作，旋转角度范围为360度，当两个机械腿旋转到车体上部时，车轮与地面接触，这样就实现了轮-足的切换；

所述上部机械腿连杆、中部机械腿连杆和下部机械腿连杆为自制件，用于支撑机械腿，长度可调整，在内部均安装有直线电机，型号为firgellifa-b-110-12v直线电机，可以驱动机械腿运动，并提供足够的动力；

所述中部机械腿关节、下部机械腿关节和机械爪关节为自制件，类似于人体的膝盖，用于控制连杆的转动，内部均安置有数字舵机，型号为智能佳dynamixelproh42-20-s300-r数字舵机，可以实现变换连杆的方向，在机械腿行走的过程中采用折弯向前的方式，即中部机械腿连杆和下部机械腿连杆先折弯，然后中部机械腿关节7旋转向前，以完成单腿的运动，两个机械腿交替运动，完成行走动作；

所述机械爪为自制件，由一个机械爪后指和三个机械爪前指组成，通过数字舵机驱动，型号为智能佳dynamixelproh42-20-s300-r数字舵机，主要用于支撑机器人系统行走和完成抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作；

所述机械爪后指和机械爪前指为自制件，使用高强耐磨的高强度钢或钛合金材料制成；

所述机械爪末端指阄采用柔性橡胶材料制成，可以提高机械爪与地面的摩擦力和附着力，而且还可以缓冲使用机械爪行走过程中的振动，此外当机械爪执行抓取物体动作时，该机械爪末端指阄有助于机械爪的闭合，防止物体滑落；

所述前超声波传感器和后超声波传感器为市购件，用于探测障碍物，并将信号传输给传感器信号处理系统，帮助进行路径规划，型号为上海禾田电子的ht40c16tr-2；

所述前视觉传感器支座和后视觉传感器支座为自制件，通过螺栓与车体连接，用于安装前视觉传感器和后视觉传感器；

所述前视觉传感器和后视觉传感器为市购件，型号为sonyp0001摄像头，用于采集路面和周围环境的图像信息，以及拍摄被抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作的目标的图像，将采集到的信息传输给传感器信号处理系统，用于路面信息、障碍物的判断以及目标的图像识别，以车体的上表面为基准，两个视觉传感器的安装高度相同，通过对比分析两个视觉传感器拍摄图像，可以得到路面的凸凹不平度信息；

所述货箱为自制件，安装于车体的上部，材料与车体相同，用于放置物品，机械爪可以将取放物品于货箱中，货箱的上部盖为光感应式，可以自动关闭或开启；

所述传感器信号处理系统由电阻元器件、信号放大器、电路板、stm32单片机、数据存储模块、usb接口模块、北斗导航模块等组成，它们相互之间的关系是：电阻元器件、信号放大器、stm32单片机、数据存储模块、usb接口模块和北斗导航模块集成安装于电路板之上，主要用于接收和处理超声波传感器发送的障碍物信号以及视觉传感器发送的图像信号，图像识别和处理算法优选改进的canny边缘检测法，改进方法为：使用基于结构相似性(ssim)和峰值信噪比(psnr)指标的混合形态高斯中值(gaussian-median)滤波器，并配合双阈值最大类间方差法(otsu)方法来选择高低阈值，也可以采用深度学习法或神经网络法进行图像识别，通过北斗导航模块可以获得卫星定位信息，进而判断出路面的凸凹，与视觉传感器信息对比，从而得到更加准确的路面不平度信息，传输给机器人控制系统，据此信息进行轮-足运动机构切换的决策；

所述机器人控制系统由通讯模块、stm32单片机、电路板等组成，它们相互之间的关系是：通讯模块、stm32单片机集成安装于电路板之上，主要用于机器人系统的运动决策，同时可以通过通讯模块接收外部的遥控信号，当有遥控信号进入时，切换为遥控模式；

所述机器人驱动系统由usb接口模块、stm32单片机、电路板等组成，它们相互之间的关系是：usb接口模块、stm32单片机集成安装于电路板之上，电路板上设有舵机和直线电机接口，主要用于驱动机器人系统中的数字舵机和直线电机运动。

3、本发明一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，相比现有技术具有以下进步和优点：

(1).采用了碳纤维复合材料和铝合金轻质材料，减少了机器人系统的重量，降低了负重，电机和电控系统可以做的更小，带来了二次减重的效果。

(2).结构紧凑，集成度高，采用双机械腿的结构，与现有的多足腿机构相比，机械装置和电机更少，成本更低，控制起来更加简单，采用连杆和关节折弯向前的方式，模拟人走路的形态，更加灵活。

(3).实现了机械腿和机械爪的多功能，既可以用于支撑机器人系统和行走跨障，旋转到车体上部后，切换为车轮运动模式时，机械腿和机械爪转换为机械臂，可以进行物体的抓取、拆卸、搬运、定点放置等操作。

总之，该系统是一种轻量化、智能化的多功能机器人系统，可以应用于巡查、排爆、挂装物体、月球探测等方面，代替人来完成工作，避免人员伤亡，同时提高作业效率。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图。

图中符号说明如下：

1-车体、2-车轮、3-轮毂电机、4-机械腿支座、5-机械腿铰链、6-上部机械腿连杆、7-中部机械腿关节、8-中部机械腿连杆、9-下部机械腿关节、10-下部机械腿连杆、11-机械爪关节、12-机械爪、13-机械爪后指、14-机械爪前指、15-机械爪末端指阄、16-前超声波传感器、17-后超声波传感器、18-前视觉传感器支座、19-前视觉传感器、20-后视觉传感器支座、21-后视觉传感器、22-货箱、23-传感器信号处理系统、24-机器人控制系统、25-机器人驱动系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：

如附图1所示，本发明一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，包括以下部分：车体1、车轮2、轮毂电机3、机械腿支座4、机械腿铰链5、上部机械腿连杆6、中部机械腿关节7、中部机械腿连杆8、下部机械腿关节9、下部机械腿连杆10、机械爪关节11、机械爪12、机械爪后指13、机械爪前指14、机械爪末端指阄15、前超声波传感器16、后超声波传感器17、前视觉传感器支座18、前视觉传感器19、后视觉传感器支座20、后视觉传感器21、货箱22、传感器信号处理系统23、机器人控制系统24、机器人驱动系统25；它们之间的关系是：车体1为整个机器人系统的承载体，四个车轮2安装在车体1的下部，通过车轮2内部安装的轮毂电机3来驱动车轮2运动；两个机械腿支座4分别安装在车体1的左右两侧，通过机械腿铰链5与上部机械腿连杆6相连接，并能够满足上部机械腿连杆6的旋转运动，可以实现轮-足的转换；上部机械腿连杆6通过中部机械腿关节7，与中部机械腿连杆8相连接；中部机械腿连杆8通过下部机械腿关节9，与下部机械腿连杆10相连接；下部机械腿连杆10通过机械爪关节11，与机械爪12相连接；每个机械爪12由一个机械爪后指13和三个机械爪前指14组成，采用电驱动；在机械爪后指13和机械爪前指14的指端设置有机械爪末端指阄15；前超声波传感器16和后超声波传感器17安装于车体1的前后端的下部，用于探测障碍物；前视觉传感器支座18安装于车体1的前端上部，用于安装前视觉传感器19；后视觉传感器支座20安装于车体1的后端上部，用于安装后视觉传感器21；货箱22置于车体1的中间上部；传感器信号处理系统23、机器人控制系统24和机器人驱动系统25安置于车体1的内部，它们之间通过导线和数据线相连；传感器信号处理系统23通过导线和数据线与前超声波传感器16、后超声波传感器17、前视觉传感器19和后视觉传感器21相连；机器人驱动系统25通过导线和数据线与各个电机相连；

所述车体1为整个机器人系统的承载结构，车体形状优选长方体，但不局限于长方体，可以根据需要设计成其他形状，材料和制造工艺采用铝合金材料机械加工后焊接而成，也可以采用t700级碳纤维增强环氧树脂复合材料，使用树脂传递模塑成型(rtm)，然后胶接而成，使其具有轻质高强的特点，有效实现轻量化，同时车体具有防水功能，避免雨水进入内部，损坏电控系统，车体内部放置有锂电池模块，提供动力；

所述车轮2为为自制件，由轮胎、轮辐、轮辋、螺栓等组成，轮胎为橡胶材料，轮辐和轮辋为t700级碳纤维增强环氧树脂复合材料，车轮2直径根据车体1的尺寸而定；

所述轮毂电机3为市购件，用于四个车轮的独立驱动，可以实现原地掉头，型号为proteanelectric公司生产的proteandrivetm轮毂电机；

所述机械腿支座4为自制件，用于在车体1上安装机械腿，分布于车体1的左右两侧的中部；

所述机械腿铰链5为自制件，用于连接机械腿支座4和上部机械腿连杆6，使上部机械腿连杆可以绕车体1的横轴旋转，以完成行走的运动动作，旋转角度范围为360度，当两个机械腿旋转到车体1上部时，车轮与地面接触，这样就实现了轮-足的切换；

所述上部机械腿连杆6、中部机械腿连杆8和下部机械腿连杆10为自制件，用于支撑机械腿，长度可调整，在内部均安装有直线电机，型号为firgellifa-b-110-12v直线电机，可以驱动机械腿运动，并提供足够的动力；

所述中部机械腿关节7、下部机械腿关节9和机械爪关节11为自制件，类似于人体的膝盖，用于控制连杆的转动，内部均安置有数字舵机，型号为智能佳dynamixelproh42-20-s300-r数字舵机，可以实现变换连杆的方向，在机械腿行走的过程中采用折弯向前的方式，即中部机械腿连杆8和下部机械腿连杆10先折弯，然后中部机械腿关节7旋转向前，以完成单腿的运动，两个机械腿交替运动，完成行走动作；

所述机械爪12为自制件，由一个机械爪后指13和三个机械爪前指14组成，通过数字舵机驱动，型号为智能佳dynamixelproh42-20-s300-r数字舵机，主要用于支撑机器人系统行走和完成抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作；

所述机械爪后指13和机械爪前指14为自制件，使用高强耐磨的高强度钢或钛合金材料制成；

所述机械爪末端指阄15采用柔性橡胶材料制成，可以提高机械爪与地面的摩擦力和附着力，而且还可以缓冲使用机械爪行走过程中的振动，此外当机械爪执行抓取物体动作时，该机械爪末端指阄有助于机械爪的闭合，防止物体滑落；

所述前超声波传感器16和后超声波传感器17为市购件，用于探测障碍物，并将信号传输给传感器信号处理系统23，帮助进行路径规划，型号为上海禾田电子的ht40c16tr-2；

所述前视觉传感器支座18和后视觉传感器支座20为自制件，通过螺栓与车体1连接，用于安装前视觉传感器19和后视觉传感器21；

所述前视觉传感器19和后视觉传感器21为市购件，型号为sonyp0001摄像头，用于采集路面和周围环境的图像信息，以及拍摄被抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作的目标的图像，将采集到的信息传输给传感器信号处理系统23，用于路面信息、障碍物的判断以及目标的图像识别，以车体1的上表面为基准，两个视觉传感器的安装高度相同，通过对比分析两个视觉传感器拍摄图像，可以得到路面的凸凹不平度信息；

所述货箱22为自制件，安装于车体1的上部，材料与车体1相同，用于放置物品，机械爪12可以将取放物品于货箱22中，货箱22的上部盖为光感应式，可以自动关闭或开启；

所述传感器信号处理系统23由电阻元器件、信号放大器、电路板、stm32单片机、数据存储模块、usb接口模块、北斗导航模块等组成，它们相互之间的关系是：电阻元器件、信号放大器、stm32单片机、数据存储模块、usb接口模块和北斗导航模块集成安装于电路板之上，主要用于接收和处理超声波传感器发送的障碍物信号以及视觉传感器发送的图像信号，图像识别和处理算法优选改进的canny边缘检测法，改进方法为：使用基于结构相似性(ssim)和峰值信噪比(psnr)指标的混合形态高斯中值(gaussian-median)滤波器，并配合双阈值最大类间方差法(otsu)方法来选择高低阈值，也可以采用深度学习法或神经网络法进行图像识别，通过北斗导航模块可以获得卫星定位信息，进而判断出路面的凸凹，与视觉传感器信息对比，从而得到更加准确的路面不平度信息，传输给机器人控制系统24，据此信息进行轮-足运动机构切换的决策；

所述机器人控制系统24由通讯模块、stm32单片机、电路板等组成，它们相互之间的关系是：通讯模块、stm32单片机集成安装于电路板之上，主要用于机器人系统的运动决策，同时可以通过通讯模块接收外部的遥控信号，当有遥控信号进入时，切换为遥控模式；

所述机器人驱动系统25由usb接口模块、stm32单片机、电路板等组成，它们相互之间的关系是：usb接口模块、stm32单片机集成安装于电路板之上，电路板上设有舵机和直线电机接口，主要用于驱动机器人系统中的数字舵机和直线电机运动。

如附图1所示，本发明以锂电池作为动力来源，使用北斗导航模块获得位置信息和路面不平度信息，使用前后两个超声波传感器探测障碍物信息，使用前后两个视觉传感器图像识别路面、周围环境、目标物体等信息，设置传感器信号处理系统23、机器人控制系统24和机器人驱动系统25，实现传感器信息处理、运动决策和执行，具体实施方式如下：在平坦的路面上时，使用四个车轮2作为运动机构，根据传感器信息进行路径的判断和规划，避开障碍物，可以实现机器人系统的快速移动；在山地、丛林等崎岖路面上时，通过机械腿铰链5和部机械腿连杆6旋转，切换为双足行走模式，以两个仿生机械爪12作为支撑，利用机械爪后指13和机械爪前指14上的柔性橡胶材料机械爪末端指阄15来牢牢抓紧地面，采用折弯向前的方式，中部机械腿连杆8和下部机械腿连杆10先折弯，然后中部机械腿关节7旋转向前，以完成单腿的运动，两个机械腿交替运动，完成行走动作；在平坦的地面或者平台上进行目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作时，机械腿和机械爪机构旋转到车体1的上部，四个车轮2着地，使用视觉传感器基于改进的canny边缘检测法寻找并识别出目标物体，机器人控制系统24进行路径规划，机器人驱动系统25驱动车轮移动到目标物体旁边，使用机械爪完成目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作；在山地、丛林等崎岖路面上进行目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作时，首先使用机械腿和机械爪移动到目标物体旁边，然后进行轮-足切换，使车轮着地，机械腿和机械爪旋转到车体1的上部，借助视觉传感器的图像信息，完成目标物体的抓取、拆卸、搬运以及其他定点操作。

本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。